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1、全 球 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng)衛(wèi) 星 導 航 發(fā) 展 歷 史 與 應 用魏 苗 苗 電 子 信 息 學 院 什 么 是 導 航 ？ 導 航 的 歷 史早 在 公 元 前 3500年 前 歷 史 記 載 用 大 船 裝 載 貨 物 進 行 商 業(yè) 貿 易 ， 在 靠 近海 岸 線 用 肉 眼 觀 察 陸 地 標 記 或 者 大 地 特 性 來 辨 別 方 向 和 位 置 的 。 他 們通 常 白 天 行 駛 ， 晚 上 找 個 平 靜 的 港 口 拋 錨 。 導 航 歷 史 當 他 們 在 看 不 到 大 陸 的 時候 ， 他 們 通 過 在 白 天 觀 察太 陽 的 位 置 ， 晚 上 觀 察

2、 北極 星 的 位 置 來 辨 別 南 北 方向 。 四分儀（Quadrant） 航海員星盤（Mariners Astrolabe）星盤（Astrolabe 航海鐘（Navigation clock ）古 代 導 航 工 具 指 南 針 -中 國 古 代 導 航 工 具漢 朝（ BC.206 AD.220） 南 宋（ AD.1127-1279） 北 宋（ AD.960-1127） 北 宋（ AD.960-1127） 你 知 道 哪 些 導 航 系 統(tǒng) ？Commonly recognized types of navigations are listed below.1. 推 算 船 位 （

3、推 算 艦 位 、 推 算 航 法 ） Dead Reckoning（ DR）2. 天 文 導 航 Celestial navigation3. 地 文 導 航 （ 陸 標 定 位 ） Terrestrial navigation4. 無 線 電 導 航 Radio navigation5. 雷 達 導 航 Radar navigation6. 衛(wèi) 星 導 航 Satellite navigation7. 慣 性 導 航 Inertial navigation8. 組 合 導 航 （ 綜 合 導 航 ） Integrated Navigation9. 氣 象 導 航 Meteorologica

4、l navigation 課 程 主 要 內 容 、 目 的 和 任 務p了 解 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 、 現(xiàn) 狀 及 現(xiàn) 代 化 歷 程 ；p闡 述 衛(wèi) 星 導 航 、 定 位 、 授 時 的 基 本 原 理 及 其 相 關 基 礎 知 識 ；p介 紹 GPS、 GLONASS、 GALILEO以 及 我 國 的 “ 北 斗 ” 衛(wèi) 星 導 航系 統(tǒng) 的 基 本 原 理 、 系 統(tǒng) 組 成 和 信 號 體 制 ；p闡 述 衛(wèi) 星 定 位 的 各 種 導 航 算 法 、 誤 差 分 析 及 差 分 增 強 技 術 ；p全 面 介 紹 衛(wèi) 星 導 航 在 導 航 領 域 的

5、 作 用 幾 個 重 要 的 概 念什 么 是 RDSS,RNSS,GNSS?RDSS： Radio Determination Satellite Service衛(wèi) 星 無 線 電 測 定 服 務 ： 用 戶 至 衛(wèi) 星 的 距 離 測 量 和 位 置 計 算 由 外 部 系 統(tǒng)通 過 用 戶 的 應 答 來 完 成 。 特 點 是 定 位 與 通 信 相 結 合 ， 有 源 定 位 系 統(tǒng) 。代 表 性 系 統(tǒng) ： 美 國 Geostar， 歐 洲 LocstarRNSS： Radio Navigation Satellite System衛(wèi) 星 無 線 電 導 航 服 務 ： 由 用 戶

6、 接 收 衛(wèi) 星 無 線 電 導 航 信 號 ， 自 主 完 成 至少 到 4顆 衛(wèi) 星 的 距 離 測 量 ， 進 行 用 戶 位 置 、 速 度 等 參 數(shù) 計 算 ， 無 源 定位 系 統(tǒng)代 表 性 系 統(tǒng) ： Transit， Tsikada， GPS， GLONASS 幾 個 重 要 的 概 念GNSS： Global Navigation Satellite System“ 全 球 導 航 衛(wèi) 星 系 統(tǒng) （ GNSS） 是 一 個 能 在 地 球 表 面 或 近 地 空 間 的 任 何 地 點 為 特 定 裝 備 的 用 戶提 供 24小 時 、 三 維 位 置 坐 標 、 速

7、度 以 及 時 間 信 息 的 空 基 無 線 電 定 位 系 統(tǒng) ， 包 括 一 個 或 多 個 衛(wèi)星 星 座 及 其 支 持 特 定 工 作 所 需 的 增 強 系 統(tǒng) ” 1998年 聯(lián) 合 國 第 三 屆 太 空 探 索 與 和 平 使 用 大 會框 架 文 件 “ Global Navigation Satellite System-GPS,GLONASS,Galileo&more” B.Hoffmann-Wellenhof， 奧 地 利 國 家 導 航 研 究 所 創(chuàng) 始 人 ， 格 拉 次 技 術 大 學 衛(wèi) 星 大 地 測 量 與 導 航 研 究 所 所長 “ A worldw

8、ide position and time determination system that includes one or more satellite constellations, aircraft recerivers and system integrity monitoring, augmented as necessary to support the required navigation performance for the intended operation.” 國 際 民 航 組 織 公 約 附 件 10卷 標 準 與 建 議 措 施 “ GNSS:全 球 系 統(tǒng)

9、+區(qū) 域 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) +星 基 增 強 系 統(tǒng) ” 曹 沖 ， 中 國 全 球 定 位 系 統(tǒng) 技 術 應 用 協(xié)會 咨 詢 中 心 主 任 ， 中 國 點 播 傳 播 研 究 所 研 究 員 幾 個 重 要 的 概 念 主 要 參 考 教 材1.曹 沖 北 斗 與 GNSS系 統(tǒng) 概 論 ， 電 子 工 業(yè) 出 版 社 ， 20162.趙 琳 等 衛(wèi) 星 導 航 原 理 及 應 用 ， 西 北 工 業(yè) 大 學 出 版 社 ，20113.劉 基 余 GPS衛(wèi) 星 導 航 定 位 原 理 與 方 法 ， 科 學 出 版 社 ，20084.S.Grewal， R.Weill， GPS，

10、 Inetial Navigation， and Integration A John Wiley &Sons， Inc， 2007 部 分 網(wǎng) 絡 資 源 北 斗 網(wǎng) http:/ 美 國 導 航 學 會 http:/www.ion.org GPS測 量 原 理 與 實 踐 （ 澳 大 利 亞 新 南 威 爾 士 大 學 ） http:/www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm 歐 洲 空 間 局 伽 利 略 系 統(tǒng) http:www.esa.int/Our_Activities/Navigation 俄 空 間

11、局 信 息 分 析 中 心 http:www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:1:13256677232912671765 國 際 GNSS服 務 網(wǎng) http:/igscb.jpl.nasa.gov/ 主 要 內 容1. 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 和 現(xiàn) 狀2. 其 他 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng)3. 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 作 用 、 特 點4. 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 應 用 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 和 現(xiàn) 狀p第一顆人造衛(wèi)星1957年 10月 4日 前 蘇 聯(lián) 將 第 一 顆 人 造 地 球 衛(wèi) 星

12、 Sputnik送 入了 軌 道 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 和 現(xiàn) 狀p多普勒頻移50年 代 末 美 國 約 翰 霍 普 金斯 大 學 應 用 物 理 實 驗 室 的Guier W.H博 士 和Weiffenback G.C博 士 在 觀測 衛(wèi) 星 發(fā) 射 的 無 線 電 信 號時 提 出 可 以 利 用 多 普 勒 頻移 現(xiàn) 象 對 衛(wèi) 星 進 行 定 軌 。 pDoppler Johan Christian Doppler， an Austria physician， found Doppler Effect in 1842.衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 和

13、 現(xiàn) 狀 p多普勒頻移同 在 應 用 物 理 實 驗 室 的另 外 兩 位 科 學 家 ，F(xiàn)rank McClure和Richard Kershner博 士提 出 可 以 利 用 衛(wèi) 星 的 多普 勒 頻 移 現(xiàn) 象 對 用 戶 進行 定 位 。衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 歷 史 和 現(xiàn) 狀 第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng)pNNSS-美國 美 國 海 軍 導 航 衛(wèi) 星 系 統(tǒng) （ Navy Navigation Satellite System，NNSS） 。 又 稱 子 午 儀 系 統(tǒng) ， 于 1964年 1月 建 成 ， 1967年 7月 29日 美 國 政府 批 準 將 該

14、 系 統(tǒng) 解 密 ， 并 提 供 民 用 。 系 統(tǒng) 構 成 衛(wèi) 星 、 跟 蹤 站 、 注 入 站 、 海 軍 氣 象臺 、 計 算 中 心 、 船 載 設 備 特 點 高 精 度 、 全 球 、 全 天 候 pNNSS-美國7顆 實 驗 衛(wèi) 星 發(fā) 射 （ 1959.9-1961.11）date Designation Launch vehicle notes1959.9.17 Transit 1A Thor Able 2 Launch failure1960.4.13 Transit 1B Thor Able-Star1960.6.22 Transit 2A Thor Able-Star

15、1960.11.30 Transit 3A Thor Able-Star Launch failure1961.2.22 Transit 3B Thor Able-Star1961.6.29 Transit 4A Thor Able-Star1961.11.15 Transit 4B Thor Able-Star第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pNNSS-美國7顆 原 型 衛(wèi) 星 發(fā) 射 （ 1962.12-1963.9）date designation Launch vehicle notes1962.12.18 Transit 5A Scout X-3 Operational prot

16、otype1963.4.5 Transit 5A-2 Scout X-3 Launch failure1963.6.15 Transit 5A-3(7) Scout X-3 Partial failure1963.9.28 Trannsit 5BN-1 Thor Able-Star Partial failure1963.12.5 Trannsit 5BN-2 Thor Able-Star 1 st operational Transit1964.4.21 Trannsit 5BN-3 Thor Able-Star Launch failure1964.6.4 Trannsit 5C(9) S

17、cout X-4 第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pNNSS-美國 衛(wèi) 星 數(shù) 量 ： 正 式 導 航 衛(wèi) 星 7顆 ， 其 中 一 顆 于 1976年 停 止 使 用 運 行 軌 道 ： 圓 形 極 軌 道 ， 平 均 高 度 1071km， 軌道 傾 角 約 90 ， 各 導 航 衛(wèi) 星 的 軌 道 相 交 于 地 球的 兩 極 運 行 周 期 ： 107min 發(fā) 射 信 號 ： 連 續(xù) 發(fā) 射 無 線 電 信 號 ， 傳 遞 三 種 導航 信 息 （ 衛(wèi) 星 星 歷 表 、 偶 數(shù) 分 鐘 的 時 間 信 號 和供 多 普 勒 頻 移 測 量 用 的 399.968MHz和149.

18、988MHz的 載 波 頻 率 ） 定 位 精 度 ： 1968年 測 定 的 精 度 為 70m， 1976年 提高 到 30m第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pNNSS-美國測 量 了 地 球 形 狀 、 重 力 場 分 布 ；探 測 了 電 離 層 對 無 線 電 信 號 傳 播 的 影 響 ；高 層 大 氣 阻 力 對 衛(wèi) 星 運 動 的 影 響 ；試 驗 了 衛(wèi) 星 星 體 設 備 和 地 面 站 接 收 設 備 ；研 究 了 跟 蹤 與 預 報 衛(wèi) 星 的 方 法 ；第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pNNSS的應用與現(xiàn)狀在 全 球 范 圍 內 核 潛 艇 、 遠 航 測 量

19、 船 、 遠 洋 漁 船 、 海上 石 油 開 發(fā) 鉆 井 定 位 、 大 型 游 艇 等 方 面 得 到 廣 泛 應用 。1988年 發(fā) 射 最 后 一 顆 衛(wèi) 星 ， 1996年 底 結 束 使 命 。第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pCICADA-前蘇聯(lián)在 子 午 儀 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 啟 發(fā) 下 ， 前 蘇 聯(lián) 海 軍 于 1965年 開 始 建 立 了 與 NNSS系 統(tǒng) 相 似 的 CICADA衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 。第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng)基 本 參 數(shù) ：衛(wèi) 星 數(shù) 量 ： 12顆運 行 高 度 ： 1000公 里運 行 周 期 ： 105min信 號

20、 頻 率 ： 150MHz和 400MHz pNNSS的歷史意義 子 午 儀 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 的 誕 生 預 示 著 經(jīng) 典 的 導航 定 位 技 術 面 臨 著 一 場 重 大 變 革 ， 在 導 航 技 術 發(fā)展 中 具 有 劃 時 代 的 歷 史 意 義 。第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) p第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)缺點衛(wèi) 星 數(shù) 量 少 ， 可 見 時 間 少 （ 平 均 1.5h） ， 無 連 續(xù) 實 時 定位 （ 導 航 ） 能 力 ， 獲 得 一 次 導 航 解 所 需 時 間 較 長 ， 不 適合 高 動 態(tài) 目 標 的 使 用 ；衛(wèi) 星 軌 道 高 度 低 ， 難 以 實

21、 現(xiàn) 精 確 定 軌 ；大 地 測 量 應 用 連 續(xù) 觀 測 3-7天 ；無 三 維 定 位 能 力 ；信 號 頻 率 低 ， 難 以 有 效 補 償 電 離 層 折 射 影 響 。第 一 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pGPS六 十 年 代 末 ：“ Timation” 計 劃 （ 美 國 海 軍 ）“ 621B” 計 劃 （ 美 國 空 軍 ）1973年 美 國 國 防 部 （ DOD） 批 準 由 十 個單 位 組 成 聯(lián) 合 計 劃 局 ， 充 分 吸 收 兩 個計 劃 的 優(yōu) 點 提 出 全 球 定 位 系 統(tǒng) GPS（ 全稱 為 Navigati

22、on Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR GPS）第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) p最 初 設 計 ： 24顆 衛(wèi) 星 ， 3個 軌 道 面 ， 每 個 軌 道 面 8顆 衛(wèi) 星 ，軌 道 傾 角 63 地 球 上 任 何 一 點 都 能 同 時 可 見 6-9顆 衛(wèi) 星p1978年 壓 縮 國 防 預 算 ： 24顆 衛(wèi) 星 縮 減 為 18顆 衛(wèi) 星 ， 6個 軌道 面 ， 軌 道 傾 角 551986年 更 改 為 21+3顆 衛(wèi) 星 優(yōu) 化 星 座 組 合 6個 軌 道 面 ， 任 何 一 點

23、 可 見 4-11顆 衛(wèi) 星p1993年 考 慮 到 GPS的 光 明 前 景 和 巨 大 利 益 ， 最 終 為 24+3顆衛(wèi) 星 。第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pGPS系統(tǒng)的發(fā)展第 一 階 段 （ 1973-1979） 方 案 論 證 和 初 步 設 計 階 段 ， 發(fā) 射 4顆 實 驗 衛(wèi) 星 ， 研 制 部 分 地 面接 收 設 備 。 1973年 國 防 部 批 準 GPS系 統(tǒng) 的 Navstar衛(wèi) 星 制 造 計 劃 ； 1974年 為 檢 驗 銣 鐘 和 時 間 傳 播 技 術 ， Timation項 目 的 第 一 顆GPS實 驗 衛(wèi) 星 發(fā) 射 升 空 ； 1977

24、年 第 一 批 攜 帶 銫 鐘 的 實 驗 衛(wèi) 星 發(fā) 射 升 空 ， 具 有 后 來 GPS衛(wèi)星 的 基 本 特 征 ； 1978年 2月 22日 第 一 顆 GPS原 型 導 航 衛(wèi) 星 BLOCK 衛(wèi) 星 發(fā) 射 升 空 。第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) pGPS系統(tǒng)的發(fā)展第 二 階 段 （ 1979-1985） 全 面 研 制 和 試 驗 階 段 。 這 一 時 期 共發(fā) 射 七 顆 試 驗 衛(wèi) 星 ， 到 1985年 10月 9日GPS試 驗 衛(wèi) 星 BLOCK 衛(wèi) 星 達 到 11顆 ， 其他 輔 助 系 統(tǒng) 建 立 。 （ 所 有 試 驗 衛(wèi) 星 到1993年 12月 31日

25、 全 部 停 止 工 作 ） 研 制 了 地 學 研 究 和 精 密 測 地 系 統(tǒng) ，證 實 了 GPS系 統(tǒng) 卓 越 的 導 航 定 位 能 力 （ 實際 偽 距 點 定 位 精 度 ： 20米 ， 設 計 標 準 ：100米 ）第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) 第 三 階 段 （ 1986-1996） 實 際 組 網(wǎng) 階 段 ， 24顆 工 作 衛(wèi) 星 ， 1995年 達 預 定 工 作 能 力 。 從 1989年 2月 14日 第 一 顆 工 作 衛(wèi) 星 BLOCK 發(fā) 射 成 功 至 1994年3月 10日 第 24顆 GPS工 作 衛(wèi) 星 BLOCK A升 空 ， 實 現(xiàn) 98%

26、覆 蓋 ， 1996年 9月 12日 第 27顆 工 作 衛(wèi) 星 升 空 后 ， 標 志 著 GPS達 到 100%覆 蓋 能 力 。GPS BLOCK GPS BLOCK A第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng) GPS具 備 完 全 運 行 能 力 1995年 4月 27日 ， 美 國 防 部 宣 布 ： GPS系 統(tǒng) 已 具 備 完 全 運 行能 力 （ FULL Operational Capability， FOC）投 資 ： 300億 美 元衛(wèi) 星 ： 9顆 BLOCK 15顆 BLOCK A特 點 ： 全 球 、 全 天 候 、 連 續(xù) 實 時 高 精 度 的 授 時 、 導 航 和 定 位第 二 代 衛(wèi) 星 導 航 系 統(tǒng)